Kanalåtkomstmetod - Channel access method

I telekommunikation och datornät kan en kanalåtkomstmetod eller multipelåtkomstmetod låta mer än två terminaler anslutna till samma överföringsmedium sända över den och dela dess kapacitet. Exempel på delade fysiska medier är trådlösa nätverk , bussnät , ringnät och punkt-till-punkt-länkar som fungerar i halv duplex- läge.

En kanalåtkomstmetod är baserad på multiplexing , som tillåter flera dataströmmar eller signaler att dela samma kommunikationskanal eller överföringsmedium. I detta sammanhang tillhandahålls multiplexering av det fysiska lagret .

En kanalåtkomstmetod kan också vara en del av multipelåtkomstprotokollet och kontrollmekanismen, även känd som medium access control (MAC). Medelstor åtkomstkontroll behandlar frågor som att adressera, tilldela multiplexkanaler till olika användare och undvika kollisioner. Medialåtkomstkontroll är ett underlager i datalänkskiktet i OSI-modellen och en komponent i länklagret i TCP/IP-modellen .

Grundläggande system

Kanalåtkomstsystem faller vanligtvis i följande kategorier.

Frekvensdelning flera åtkomst

Den frekvens-delningsmultipelaccess (FDMA) kanal-åtkomstschema är den mest vanlig analog systemet, baserat på den frekvensmultiplex (FDM) system, som erbjuder olika frekvensband till olika dataströmmar. I FDMA -fallet tilldelas frekvensbanden till olika noder eller enheter. Ett exempel på FDMA-system var första generationens 1G -mobiltelefonsystem, där varje telefonsamtal tilldelades en specifik upplänkfrekvenskanal och en annan nedlänkfrekvenskanal. Varje meddelandesignal (varje telefonsamtal) moduleras på en specifik bärfrekvens .

En relaterad teknik är våglängdsdelning multipel åtkomst (WDMA), baserat på våglängdsdelningsmultiplexering (WDM), där olika dataströmmar får olika färger i fiberoptisk kommunikation. I WDMA -fallet får olika nätverksnoder i ett buss- eller navnätverk en annan färg.

En avancerad form av FDMA är det ortogonala frekvensdelnings-multipelaccess- schemat (OFDMA), som till exempel används i 4G- mobilkommunikationssystem. I OFDMA kan varje nod använda flera underbärare, vilket gör det möjligt att tillhandahålla olika servicekvalitet (olika datahastigheter) till olika användare. Tilldelningen av underbärare till användare kan ändras dynamiskt, baserat på nuvarande radiokanalförhållanden och trafikbelastning. Single-carrier FDMA (SC-FDMA), aka linjärt förkodad OFDMA (LP-OFDMA), är baserad på single-carrier frekvens-domänutjämning (SC-FDE).

Tidsdelning flera åtkomst

Den tidsdelad multipelaccess (TDMA) kanalåtkomstschemat är baserad på tidsmultiplexering (TDM) system. TDMA tillhandahåller olika tidluckor till olika sändare i en cykliskt repetitiv ramstruktur. Till exempel kan nod 1 använda tidslucka 1, nod 2 tidslucka 2, etc. tills den sista sändaren när den börjar om. En avancerad form är dynamisk TDMA (DTDMA), där en tilldelning av sändare till tidsluckor varierar på varje ram.

Multi-frequency time-division multiple access (MF-TDMA) kombinerar tid och frekvens multipel åtkomst. Som ett exempel är 2G -cellulära system baserade på en kombination av TDMA och FDMA. Varje frekvenskanal är uppdelad i åtta tidsluckor, varav sju används för sju telefonsamtal och en för signalering av data.

Statistisk tidsdelning multiplexering multipel åtkomst är vanligtvis också baserad på tidsdomänmultiplexering, men inte i en cykliskt repetitiv ramstruktur. På grund av dess slumpmässiga karaktär kan den kategoriseras som statistiska multiplexeringsmetoder och kan dynamisk bandbreddstilldelning . Detta kräver ett protokoll för mediaaccesskontroll (MAC), det vill säga en princip för att noder ska turas om på kanalen och undvika kollisioner. Vanliga exempel är CSMA/CD , som används i Ethernet -bussnät och hubbenätverk, och CSMA/CA , som används i trådlösa nätverk som IEEE 802.11 .

Code-division multiple access och spread spectrum multiple access

Den code-division multiple access (CDMA) system grundar sig på spridningsspektrum , vilket innebär att en bredare radiokanal bandbredd används än datahastigheten för enskilda bitströmmar kräver, och flera meddelandesignaler överföres samtidigt över samma bärvågsfrekvens, med utnyttjande av olika spridningskoder. Enligt Shannon – Hartley-satsen gör den breda bandbredden det möjligt att sända med ett signal-brusförhållande på mycket mindre än 1 (mindre än 0 dB), vilket innebär att överföringseffekten kan reduceras till en nivå under nivån för buller och samkanalstörning från andra meddelandesignaler som delar samma frekvensområde.

En form är CDMA med direkt sekvens (DS-CDMA), baserat på spridningsspektrum med direkt sekvens (DSSS), som används till exempel i 3G -mobiltelefonsystem. Varje informationsbit (eller varje symbol) representeras av en lång kodsekvens med flera pulser, kallade chips. Sekvensen är spridningskoden och varje meddelandesignal (till exempel varje telefonsamtal) använder en annan spridningskod.

En annan form är frekvenshoppande CDMA (FH-CDMA), baserat på frekvenshoppande spridningsspektrum (FHSS), där kanalfrekvensen ändras snabbt enligt en sekvens som utgör spridningskoden. Som ett exempel är Bluetooth- kommunikationssystemet baserat på en kombination av frekvenshoppning och antingen CSMA/CA statistisk tidsdelad multiplexkommunikation (för datakommunikationsapplikationer) eller TDMA (för ljudöverföring). Alla noder som tillhör samma användare (till samma piconet ) använder samma frekvenshoppningssekvens synkront, vilket betyder att de skickar på samma frekvenskanal, men CDMA/CA eller TDMA används för att undvika kollisioner inom VPAN. Frekvenshoppning används av Bluetooth för att minska sannolikheten för cross-talk och kollision mellan noder i olika VPAN: er.

Andra tekniker inkluderar OFDMA och multi-carrier code-division multiple access (MC-CDMA).

Space-division multipel åtkomst

Space-division multiple access (SDMA) överför olika information i olika fysiska områden. Exempel inkluderar enkla cellulära radiosystem och mer avancerade cellulära system som använder riktningsantenner och effektmodulering för att förfina rumsliga överföringsmönster.

Power-division multipel åtkomst

Power-division multiple access ( PDMA ) -schema är baserat på att använda variabel överföringseffekt mellan användare för att dela den tillgängliga strömmen på kanalen. Exempel inkluderar flera SCPC -modem på en satellittransponder, där användare på begäran får en större andel av energibudgeten att överföra vid högre datahastigheter.

Paketlägesmetoder

Paketläges kanalåtkomstmetoder väljer en enda nätverkssändare under paketöverföringens längd. Vissa metoder är mer lämpade för trådbunden kommunikation medan andra är mer lämpade för trådlös.

Vanliga statistiska tidsdelnings-multiplexering av flera åtkomstprotokoll för trådbundna multi-drop-nätverk inkluderar:

Vanliga flera åtkomstprotokoll som kan användas i paketradio trådlösa nätverk inkluderar:

Duplexmetoder

Där dessa metoder används för att dela framåt- och bakåtkommunikationskanaler, kallas de duplexmetoder . Ett dubbelsidig kommunikationssystem kan vara antingen halv duplex eller hel duplex . I ett halvduplexsystem fungerar kommunikation bara åt ena hållet i taget. En walkie-talkie är ett exempel på ett halvduplexsystem eftersom båda användarna kan kommunicera med varandra, men inte samtidigt måste någon avsluta överföringen innan nästa person kan börja. I ett full duplex-system kan båda användarna kommunicera samtidigt. En telefon är det vanligaste exemplet på ett full duplex-system eftersom båda användarna kan tala och höras samtidigt i varje ände. Några typer av hel duplexmetoder är:

Hybridapplikationsexempel

Observera att hybrider av dessa tekniker ofta används. Några exempel:

  • Den GSM- cellulära systemet kombinerar användningen av frekvensdelningsduplex (FDD) för att förhindra interferens mellan utåt och retursignaler, med FDMA och TDMA för att tillåta flera handenheter till arbete i en enda cell.
  • GSM med GPRS- paketväxlad tjänst kombinerar FDD och FDMA med slitsad Aloha för bokningsförfrågningar och ett dynamiskt TDMA- schema för överföring av faktiska data.
  • Bluetooth -paketlägeskommunikation kombinerar frekvenshoppning för delad kanaltillgång bland flera privata nätverk i samma rum med CSMA/CA för delad kanalåtkomst inom ett nätverk.
  • IEEE 802.11b trådlösa lokalnät (WLAN) är baserade på FDMA och DS-CDMA för att undvika störningar mellan intilliggande WLAN-celler eller åtkomstpunkter. Detta kombineras med CSMA/CA för flera åtkomst inom cellen.
  • HIPERLAN/2 trådlösa nätverk kombinerar FDMA med dynamiskt TDMA, vilket innebär att resursreservation uppnås genom paketplanering .
  • G.hn , en ITU-T- standard för höghastighetsnätverk via kablar i hemmet (kraftledningar, telefonlinjer och koaxialkablar) använder en kombination av TDMA, tokenpassning och CSMA/CARP för att flera enheter ska kunna dela mediet.

Definition inom vissa tillämpningsområden

Lokala och storstadsnätverk

I lokala nätverk (LAN) och storstadsnät (MAN) möjliggör flera åtkomstmetoder bussnät, ringnät, stjärnnätverk, trådlösa nätverk och halv-duplex punkt-till-punkt-kommunikation, men krävs inte i full duplexpunkt -till-punkt seriella linjer mellan nätverksväxlar och routrar. Den vanligaste multipelåtkomstmetoden är CSMA/CD, som används i Ethernet . Även om dagens Ethernet-installationer använder full duplex-anslutningar direkt till switchar . CSMA/CD är fortfarande implementerat för att uppnå kompatibilitet med äldre repeaternav .

Satellitkommunikation

I satellitkommunikation är multipelåtkomst en kommunikationssatellits förmåga att fungera som en del av en kommunikationslänk mellan mer än ett par markbaserade terminaler samtidigt. Tre typer av multipelaccess som för närvarande används med kommunikationssatelliter är koddelning , frekvensdelning och tidsdelad multipelåtkomst.

Mobilnät

I mobilnät är de två mest använda teknikerna CDMA och TDMA. TDMA -tekniken fungerar genom att identifiera naturliga avbrott i tal och använda en radiovåg för att stödja flera sändningar i tur och ordning. I CDMA -teknik får varje enskilt paket en unik kod som bryts upp över ett brett frekvensspektrum och sedan sätts ihop igen i andra änden. CDMA tillåter flera personer att tala samtidigt över samma frekvens, så att fler konversationer kan överföras över samma mängd spektrum; detta är en anledning till att CDMA så småningom blev den mest använda metoden för kanalåtkomst inom den trådlösa industrin.

Ursprunget till CDMA kan spåras tillbaka till 1940 -talet där det patenterades av USA: s regering och användes under andra världskriget för att överföra meddelanden. Efter kriget gick dock patentet ut och användningen av CDMA minskade och ersattes i stor utsträckning av TDMA. Det var tills Irwin M. Jacobs, en MIT -ingenjör, och andra medarbetare från företaget Linkabit grundade telekommunikationsföretaget Qualcomm . När Qualcomm grundades hade Jacobs redan arbetat med att ta itu med telekommunikationsproblem för militären med hjälp av digital teknik för att öka spektrumets kapacitet. Qualcomm visste att CDMA skulle öka effektiviteten och tillgängligheten av trådlöst kraftigt, men den trådlösa industrin hade redan investerat miljoner dollar i TDMA var skeptisk. Jacobs och Qualcomm tillbringade flera år med att förbättra infrastrukturen och utföra tester och demonstrationer av CDMA. År 1993 blev CDMA accepterad som standarden för trådlös industri. År 1995 användes CDMA kommersiellt inom den trådlösa industrin som grunden för 2G .

Klassificeringar i litteraturen

Flera sätt att kategorisera system med flera åtkomst och protokoll har använts i litteraturen. Exempelvis identifierar Daniel Minoli (2009) fem huvudtyper av system med flera åtkomst: FDMA , TDMA, CDMA , SDMA och Random access . R. Rom och M. Sidi (1990) kategoriserar protokollen i konfliktfria åtkomstprotokoll , Aloha-protokoll och Carrier Sensing-protokoll .

Telekommunikationshandboken (Terplan och Morreale, 2000) identifierar följande MAC -kategorier:

  • Fast tilldelad: TDMA, FDMA+WDMA, CDMA, SDMA
  • Tilldelad efterfrågan (DA)
    • Reservation: DA/TDMA, DA/FDMA+DA/WDMA, DA/CDMA, DA/SDMA
    • Polling: Generaliserad polling, Distribuerad polling, Token Passing, Implicit polling, Slotted access
  • Slumpmässig åtkomst (RA): Pure RA (ALOHA, GRA), Adaptive RA (TRA), CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA

Se även

Referenser

Allmängods Denna artikel innehåller  material från allmän egendom från General Services Administration -dokumentet: "Federal Standard 1037C" .(till stöd för MIL-STD-188 )